chapitre 6 : réactions d’oxydoréduction

Chapitre 6 : Réactions d’oxydoréduction

Objectifs

L’élève doit être capable

! de définir les réactions d’oxydation, de réduction et d’oxydo-réduction,

! d’identifier les réactions d’oxydation, de réduction et d’oxydo-réduction,

! de prédire si une réaction d’oxydation / de réduction est exo- ou en-dothermique,

! d’établir les équations des réactions d’oxydation, de réduction et d’oxydoréduction,

! de citer les propriétés des différents corps utilisés dans les réactions.

Mots clés ! oxydation ! réduction ! réaction d’oxydoréduction ! oxydant ! réducteur ! réaction exothermique ! réaction endothermique

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Réactionsd'oxydoréduction

6.1. Réactions d’oxydation Dans le chapitre 5, nous avons parlé des réactions de combustion. Ces réactions font partie des réactions d’oxydation. Exemples de réactions d’oxydation

→oxydation

2

oxyde demagnésium dioxygène

magnésium

Mg + O M2 2 gO

Combustion du

magnésium, vue à travers un masque

de soudure.

→ 22

dioxyde decarbone dioxygène

carbone

C + O CO

- Q

oxydation - Q

Lors de toutes les réactions de combustion, un corps se lie à l’oxygène : on dit que ce corps est oxydé. Toutes les réactions de combustion / d’oxydation sont accompa-gnées d’un dégagement de chaleur.

Lors des réactions d’oxydation, un corps accepte de l�oxygène.

oxydation = gain d�oxygène Les réactions d�oxydation sont des réactions exothermiques.

111


6.2. Réactions de réduction 6.2.1. Thermolyse de l’oxyde de mercure(II) Introduisons une spatule d’oxyde de mercure(II) (HgO) dans un tube à essai. Fermons le tube à essai à l’aide d’un ballon gonflable1. Chauffons ensuite la partie inférieure du tube à essai au-dessus de la flamme du brûleur Bunsen. Introduisons un tison incandes-cent dans le tube à essai. Le tison recommence à brûler : lors de la réaction, il y a production de dioxygène. Sur les parois du tube à essai, il y a un dépôt gris métallique de petites gouttelet-tes : c’est du mercure. Équation de la réaction

réduction2

oxyde demercure dioxyg

gaz solide liquide incolore orange gris métallique

ènemercure(II)

comburant

HgO O2 2 Hg→ +

+∆Q

Lors de cette réaction, l’oxyde de mercure(II) libère de l’oxygène. On dit que l’oxyde de mercure(II) est réduit.

La réaction de décomposition de l’oxyde de mercure(II) s’arrête dès qu’on interrompt le chauffage : un apport d’énergie est nécessaire pour le déroulement de cette réaction, elle est donc endothermique2.

Lors des réactions de réduction, un corps libère de l�oxygène.

réduction = perte d�oxygène

Les réactions de réduction sont des réactions endothermiques.

1 On ferme le tube avec un ballon gonflable pour éviter l’échappement de gaz

toxiques. 2 Une réaction pendant laquelle de la chaleur est consommée est dite

endothermique. Dans les équations chimiques, un apport de chaleur est indiqué par la notation | +∆Q derrière l’équation.

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6.3. Réactions d’oxydoréduction 6.3.1. Réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le dihydrogène Introduisons de l’oxyde de cuivre(II) (CuO) dans un tube. Faisons passer un flux d’hydrogène (H2) sur l’oxyde de cuivre(II).

Chauffons le tube avec un brûleur Bunsen après avoir fait le test du gaz détonnant. Après la réaction, on identifie des gouttes d’eau sur la paroi du tube. L’oxyde de cuivre(II) s’est transformé en cuivre métallique.

Équation de la réaction

→réaction redo2 2

x

oxyde dedihydrogène

ga

cuivre e

zsolide solide liquideincolorenoir rouge métallique incolorecombustibl

aucuivre I

e

( I)

rédCuO + H Cu

ucteurO+ H

réduction oxydation

oxydant+ Q

Lors de cette réaction : ! l’oxyde de cuivre(II) libère de l’oxygène : il est réduit. ! le dihydrogène se lie à l’oxygène : il est oxydé.

Une réaction pendant laquelle une oxydation et une réduction se déroulent simultanément est appelée réaction d’oxydoréduction ou réaction redox. Une réaction redox peut être endothermique ou exothermique. L’oxyde de cuivre(II) joue le rôle d’oxydant : il oxyde le dihydrogène.

113


L’oxydant est réduit pendant la réaction de réduction en perdant de l’oxygène. Le dihydrogène joue le rôle de réducteur : il réduit l’oxyde de cuivre(II).

Le réducteur est oxydé pendant la réaction d’oxydation en acceptant de l’oxygène.

6.3.2. Réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le carbone Introduisons un mélange d’oxyde de cuivre(II) (CuO) et de carbone (C) dans un tube à essai.

Fermons le tube à essai par un bouchon percé d’un tube en verre. Chauffons le tube à essais et recueillons le gaz formé pendant la réaction dans un becher contenant de l’eau de chaux.

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Dans le tube à essai, il s’est formé du cuivre métallique.

L’eau de chaux dans le becher s’est troublée ; il y a donc production de dioxyde de carbone lors de la réaction.


réduction

oxydation

→réaction redox2

oxyde de dioxyde carbone cuivre

cuivre(II) de carbon

solide solide solide gaznoir noir rouge métallique incol

e

ore

CuO +réducte

C Cu2ur

+ CO2

oxydant- Q

6.3.3. Aluminothermie Dans un pot en céramique, mélangeons de l’oxyde de fer(III) (Fe2O3) et de l’aluminium (Al).

Allumons ce mélange à l’aide d’un ruban de magnésium. La réaction est très exothermique.

En effet un des produits de la réaction peut être identifié comme étant du fer liquide (tfus(Fe) = 1535 °C). L’autre produit de la réaction est l’oxyde d’aluminium.

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→réaction rédo2 2

x3 3

oxyde de oxyde aluminium fer

fer(III) d'aluminium

solide solide liquide soliderouge gris métallique incandescent transparent

réduFe O + A

cteurl Fe +2 2 A Ol

oxydant- Q

oxydation réduction

Usage

Cette réaction est utilisée de nos jours pour la soudure des rails de chemin de fer.

# voir exercices 6.1 à 6.3 page 118 Pour plus d’informations sur des réactions redox importantes :

# voir Infos

! 6.1 page 119 Le cycle du carbone ! 6.2 page 122 Alimentation et respiration ! 6.3 page 124 La photosynthèse ! 6.4 page 126 Le cycle nutritif de la plante

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?Questions de cours 1. Définir :

! réaction d’oxydation ! réaction endothermique ! réaction de réduction ! réaction exothermique ! réaction d’oxydoréduction

2. Écrire les équations des réactions suivantes :

a) combustion du carbone b) thermolyse de l’oxyde de mercure(II) c) réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le dihydrogène d) réaction entre l’oxyde de cuivre(II) et le carbone e) réaction d’aluminothermie

Indiquer pour chaque réaction de quel type de réaction il s’agit, et indiquer si la réaction est exothermique ou endothermique.

Questions de compréhension

3. Équilibrer les équations suivantes ; indiquer sur chaque équation l’oxydation, la réduction, l’oxydant et le réducteur.

a) CuO+ Pb Cu+ PbO→

b) 2FeO+ K Fe + K O→

c) 2 2 3SnO + Al Al O + SnO→

d) 2 3NiO+ Cr Cr O + Ni→

Questions à choix multiple (QCM) - Une seule réponse est correcte.

4. Lors d’une réaction d’oxydation, il y a gain d’oxygène. perte d’oxygène. ni gain, ni perte d’oxygène.

5. Une réaction de combustion peut aussi être appelée réaction d’oxydation. réaction de réduction. réaction d’oxydoréduction.

6. Les réactions de réduction sont accompagnées d’une absorption de chaleur. d’un dégagement de chaleur. ni d’absorption, ni de dégagement de chaleur.

7. Un corps est réduit, s’il perd de l’oxygène. gagne de l’oxygène.

117

?

118

Exercice 6.1

Établir les équations des réactions suivantes. Préciser à chaque fois s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction. Indiquer si la réaction est exothermique ou endothermique. a) combustion du sodium, b) thermolyse de l’oxyde d’argent(I), c) transformation de l’oxyde de fer(II) en oxyde de fer(III) par réaction

avec le dioxygène, d) électrolyse de l’eau (décomposition de l’eau en éléments par le

courant électrique).

Exercice 6.2

Dans l’équation de la réaction redox suivante, identifier l’oxydation, la réduction, l’oxydant et le réducteur.

2 2CO+ H O H + CO→ 2

Exercice 6.3

Établir les équations des réactions redox pour lesquelles les réactifs et les produits sont donnés dans le tableau ci-dessous. Dans les équations des réactions redox identifier l’oxydation, la réduction, l’oxydant et le réducteur. réactifs produits a) oxyde de plomb(II)

calcium plomb

oxyde de calcium

b) oxyde de fer(III) monoxyde de carbone (CO)

fer dioxyde de carbone

c) oxyde de fer(III) cuivre

oxyde de fer(II) oxyde de cuivre(II)

d) magnésium eau

oxyde de magnésium dihydrogène

e) oxyde de silicium aluminium

silicium oxyde d’aluminium

iInfo 6.1

Le cycle du carbone

pétr

ole

mic

ro-

orga

nis

mes

119

i Info 6.1 (suite)

Les combustibles fossiles charbon et pétrole résultent de la dégradation d’organismes morts. La fossilisation exige des millions d’années et se réalise sous l’effet d’une pression énorme. Le pétrole, extrait du sol, est utilisé par la suite dans les usines et comme carburant dans les véhicules. Lors de la combustion, le pétrole est oxydé en dioxyde de carbone. D’autres émissions naturelles de dioxyde de carbone proviennent de :

• • •

la respiration humaine et animale, la respiration de microorganismes, l’éruption de volcans.

L’absorption du dioxyde de carbone se fait : 1. par les plantes vertes lors de la photosynthèse.

Équation de la réaction de photosynthèse

→2 2 6 12 6 2

dioxydeeau glucose dioxygène

de carbone

CO + H O C H O6 O6+6

Le rayonnement solaire constitue la source d’énergie nécessaire pour faire la photosynthèse.

+ Q

- Q

Pendant la nuit, la photosynthèse ne peut donc pas se dérouler : les végétaux effectuent alors une respiration similaire à celle des hommes et des animaux. La respiration correspond à la réaction inverse de la photosynthèse. Équation de la réaction de respiration

→6 12 6 2 2 2

dioxydeglucose dioxygène eaude carbone

C H O + O CO + O6 6 H6

120

iInfo 6.1 (suite)

2. la plus grande partie du dioxyde de carbone se dissout dans

l’eau des océans, puis réagit avec l’eau selon l’équation suivante :

2(atm) 2(dissous) 2 2 2 3

dioxyde de dioxyde dedioxyde de eau acide

carbone provenant carbone dissouscarbone (des océans) carbonique

de l'atmosphère dans l'eau

CO CO CO + H O H CO→ → →← ← ←

Puisque toutes les réactions sont réversibles, il y a échange continuel entre le dioxyde de carbone atmosphérique et l’acide carbonique contenu dans l’eau. Ces réactions réversibles constituent des équilibres chimiques3. L’acide carbonique réagit en partie avec le calcaire contenu dans l’eau des océans ; il y a transformation de l’acide carbonique en sédiments marins (insolubles).

2 3 3 3 2

acide carbonate hydrogénocarbonatecarbonique de calcium de c

insolubles

so

alc

l

m

bl

i

u e

u

H CO + CaCO Ca(HCO ) sédiments marins→ →←

Perturbations du cycle du carbone Les principales perturbations du cycle de carbone viennent : •

•

d’une émission supplémentaire et excessive de CO2 par les industries, les véhicules et le chauffage. Cet excès ne peut pas être entièrement absorbé par les plantes vertes et les océans.

de la déforestation tropicale: la capacité de transformation du dioxyde de carbone en dioxygène est fortement réduite.

Par conséquent, la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère augmente. Or une concentration plus élevée en CO2 provoque une augmentation de l�effet de serre, donc un échauffement global du climat.

121

3 l’équilibre chimique est représenté par une double flèche: →←

iInfo 6.2

Alimentation et respiration

aliments

appareil digestif

nutriments

plasma

sanghématies

(globules rouges)

cellulescombustion des nutriments,principalement le glucose :

poumons

O2CO2

C H O6 12 6 + +

glucose dioxygène dioxydede carbone

eau

6 O2 6 CO2 6 H O2 - Q

122

iInfo 6.2 (suite)

Alimentation Respiration

Lors de la digestion, les aliments subissent deux types de transfor-mations: •

•

la digestion mécanique, lors de laquelle ils sont écrasés et subdi-visés en des morceaux plus pe-tits. la digestion chimique, lors de laquelle des enzymes transfor-ment les aliments en molécules de plus petite taille.

Ces molécules de plus petite taille constituent les nutriments, qui sont les aliments pour les cellules. Le transport des nutriments de l’appareil digestif aux cellules se fait par le plasma sanguin. Arrivés aux cellules, les nutriments sont soit utilisés pour « construire » des molécules nécessaires à la vie, soit subissent des transformations chimiques qui libèrent de l’énergie. Ainsi la réaction d’oxydation du glu-cose (voir schéma page 122) constitue une source d’énergie. L’énergie libérée par cette réaction d’oxydation est utilisée pour les activités cellulaires (mouvements, échanges…) ; l’énergie excédentaire est évacuée sous forme de chaleur.

Lors de la respiration, le dioxygène de l’air entre dans notre organisme par les poumons, dans lesquels il arrive par le nez et la trachée. Comme le dioxygène est très peu soluble dans le plasma sanguin, son transport vers les cellules doit être assuré par les globules rouges. Ces cellules spécialisées contiennent l’hémoglobine, une molécule complexe qui peut fixer le dioxygène de façon réversible*. Arrivé aux cellules, le dioxygène est libéré et participe à la réaction d’oxydation des nutriments. Le dioxyde de carbone produit pendant cette réaction atteint les poumons soit par le chemin inverse de l’oxygène, c’est-à-dire en se fixant réversiblement sur l’hémoglobine, soit en se dissol-vant dans le plasma sanguin. À partir des poumons, il est ex-piré, ce qui explique que l’air expiré contient plus de dioxyde de carbone que l’air inspiré. En fait, seulement 1/4 du dioxygène inhalé intervient dans les échanges respiratoires : l’air expiré renferme encore 16 % de dioxygène.

* structure de l’hème, partie de

l’hémoglobine qui fixe le dioxygène:

NN

NNCH3

H CH3H

CH3H

CH3

S-protéine

S

H H

H

CH3CH3

Fe

OO O

O

-protéine

123

i Info 6.3

La photosynthèse

phase lumineuse phase obscure

Chloroplaste

Cellule végétale

O2 CO2

H2O

C H O6 12 6

molécules complexesstockant de l'énergie

lumière solaire

La photosynthèse se déroule à l’intérieur des chloroplastes des cellules des plantes vertes. Pour pouvoir faire la photosynthèse, la cellule a besoin de dioxyde de carbone provenant de l’air (ou de l’eau pour les algues et les autres plantes aquatiques) et d’eau provenant du sol (ou de l’eau environnante pour les plantes aquatiques). La photosynthèse se déroule en deux étapes :

la phase lumineuse •

Cette phase peut seulement se dérouler en présence de lumière qui fournit l’énergie nécessaire pour une série de réactions très complexes. Au cours de cette phase, l’eau est dissociée avec libération de dioxygène rejeté dans l’atmosphère.

124

i Info 6.3 (suite)

L’énergie lumineuse est captée par la chlorophylle* qui est donc une molécule indispensable à la photosynthèse. L’énergie lumineuse captée par la chlorophylle au cours de la phase lumineuse est stockée dans des molécules très complexes. Ces molécules libèrent l’énergie stockée pendant la deuxième étape de la photosynthèse, appelée phase obscure.

la phase obscure •

Le nom de cette phase est dû au fait que les réactions qui s’y déroulent n’ont pas besoin de lumière, mais utilisent l’énergie stockée dans les molécules complexes formées pendant la phase lumineuse. Au cours d’une série de réactions biochimiques compliquées, le dioxyde de carbone absorbé par la cellule est transformé en glucose qui interviendra dans d’autres réactions nécessaires à la survie de la plante (p.ex. respiration, voir Info 6.2 page 122). Équation globale de la photosynthèse

→2 2 6 12 6 2

dioxyde eau glucose dioxygènede carbone

CO + H O C H O6 O6+6

Le rayonnement so-laire constitue la source d’énergie né-cessaire pour faire la photosynthèse.

+ Q

* structure de la chlorophylle,

molécule fondamentale pour la photosynthèse:

NN

NNMg

O

CH

CH2

CH3

CH2

CH3

H

CH3

CH3

HCH2

CH2 C OO CH3

C OO C29H39

H

CH3

125

i Info 6.4

Cycle nutritif de la plante

NH

/ N

OPO K C

aM

g

43

4

+-

3-

+ 2+ 2+

NH

/ N

OPO K C

aM

g

43

4

+-

3-

+ 2+ 2+

plan

tes

sol

déco

mpo

siti

on d

e

p

lan

tes

mor

tes

déco

mpo

siti

on

nu

trim

ents

nou

rrit

ure

déco

mpo

siti

onvo

lati

lisat

ion

de

NO

x

déco

mpo

siti

onor

ages

,pr

écip

itat

ion

de

NO

x

hom

mes

,an

imau

x

N d

e l'a

ir2

engr

ais

126

iInfo 6.4 (suite)

Comme il a été expliqué dans l’Info 6.3 sur la photosynthèse, les plantes absorbent de l’eau et du dioxyde de carbone pour les transformer ensuite en glucose et en dioxygène. À part l’eau et le dioxyde de carbone, les plantes ont besoin d’éléments nutritifs dont les plus importants sont l�azote, le phosphore, le potassium, le calcium et le magnésium. Bien que l’azote se trouve en quantité pratiquement inépuisable dans l’air sous forme de diazote, les plantes sont incapables d’assimiler le diazote de l’air. La plante ne peut absorber les éléments cités ci-dessus que sous forme d’ions ou liés à d’autres éléments dans des ions. Ainsi, les plantes utilisent l’azote de l’ion ammonium (NH4+) ou de l’ion nitrate (NO3-), le phosphore de l’ion phosphate (PO43-) et les métaux sous leur forme ionique (K+, Ca2+ et Mg2+).

Dans la nature, le cycle nutritif des plantes est fermé : les éléments que la plante enlève au sol pour se développer, sont reconduits plus tard au sol par décomposition de la plante morte. Une nouvelle génération de plantes dispose ainsi des nutriments essentiels pour vivre.

Toutefois, à cause des récoltes réalisées par l’homme, le cycle n’est plus fermé. Ainsi, le sol s’appauvrit en nutriments et par conséquent les générations de plantes ultérieures ne disposent plus de tous les nutriments nécessaires à leur croissance. Les engrais sont utilisés pour remplacer ces nutriments manquants.

On distingue deux types d’engrais : ! les engrais organiques, comme le fumier (Mist), le purin (Jauche),

ou le compost. ! les engrais minéraux comme par exemple :

le nitrate d’ammonium : NH4NO3 (ou NH4+ NO3-),

le phosphate de calcium : Ca3(PO4)2 (ou (Ca2+)3(PO43-)2 ), le sulfate de potassium : K2SO4 (ou (K+)2(SO42-)), le nitrate de potassium : KNO3 (ou K+ NO3

-).

mélange d’engrais minéraux

127

chapitre 6 : réactions d’oxydoréduction

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